專(zhuān)利名稱(chēng)：一種生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC單晶的籽晶處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC單晶的籽晶處理方法，屬于晶體生長(zhǎng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以碳化硅(SiC)為代表的第三代半導(dǎo)體材料在性能上比第一、第二代半導(dǎo)體材料具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，在器件應(yīng)用上存在更大的潛力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多的領(lǐng)域需要工作頻率高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、功率密度高以及耐輻射強(qiáng)的材料和器件，第三代半導(dǎo)體的興起成為了必然趨勢(shì)。第三代半導(dǎo)體中技術(shù)最為成熟的就是Sic。SiC為間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙寬、熱導(dǎo)率高、擊穿強(qiáng)度高、化學(xué)性能好、抗輻射能力強(qiáng)，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。目前生長(zhǎng)SiC單晶體最成功的方法是物理氣相輸運(yùn)法(PVT法)，典型的生長(zhǎng)室結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。坩堝由坩堝蓋和坩堝下部空間組成，坩堝蓋用于固定籽晶，坩堝下部空間用于填裝SiC原料。在生長(zhǎng)SiC晶體過(guò)程中，SiC籽晶通過(guò)粘結(jié)劑或機(jī)械固定的方法固定到籽晶蓋上。生長(zhǎng)SiC晶體所用的坩堝材料主要為三高石墨(高強(qiáng)度、高密度和高純度)。晶體生長(zhǎng)過(guò)程可以 簡(jiǎn)單地分為三個(gè)過(guò)程，即SiC原料的分解升華，分解升華的氣氛在原料與籽晶間的傳輸過(guò)程，氣氛在籽晶前表面生長(zhǎng)的過(guò)程。盡管石墨纟甘禍為二聞石墨，但其孔隙率仍可達(dá)到10%以上。石墨纟甘禍蓋存在的孔隙以及粘結(jié)劑在高溫下生成的一些氣孔會(huì)在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生不利的影響。這些氣孔內(nèi)部與氣孔周?chē)鷧^(qū)域的導(dǎo)熱性存在一定的差異，這些差異導(dǎo)致籽晶背面溫度分布不均勻。同時(shí)，為滿(mǎn)足晶體生長(zhǎng)需求，坩堝內(nèi)部溫場(chǎng)分部如圖2所示，籽晶背面到坩堝蓋之間溫度也是由高到低。因此，在籽晶背面，氣孔與籽晶相連的地方，籽晶會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生蒸汽。這些蒸汽會(huì)從坩堝蓋以及粘結(jié)劑的氣孔中逸出。籽晶的分解和蒸汽的逸出是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。籽晶背面分解的區(qū)域隨著蒸汽的不斷逸出，而不斷向下伸展擴(kuò)大，當(dāng)這些區(qū)域形成一個(gè)閉合的氣體包裹體在晶體中向溫度升高的地方運(yùn)動(dòng)后便形成了平面六方空洞缺陷。平面六方空洞的幾何形貌與SiC單晶的晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)。這些缺陷的存在，急劇地降低了晶片的質(zhì)量和產(chǎn)率。因此提供一種抑制和消除籽晶的背向分解蒸發(fā)的籽晶處理方法非常必要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前SiC晶體生長(zhǎng)過(guò)程中普遍存在籽晶背向二次蒸發(fā)的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC晶體的籽晶處理方法。該籽晶處理方法的使用能顯著地減少晶體中的平面TK方空洞缺陷，提聞晶片的質(zhì)量和廣率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:—種用于生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC晶體的籽晶處理方法，包括在SiC籽晶背面形成金屬膜層，然后將該金屬膜層經(jīng)過(guò)一次或多次熱處理形成金屬化合物致密膜層。金屬化合物致密膜層在SiC晶體生長(zhǎng)溫度下極其穩(wěn)定，既不升華也不產(chǎn)生雜質(zhì)氣氛，同時(shí)在高溫下具有致密性，能阻止氣體分子的通過(guò)。
所述熱處理包括低溫?zé)崽幚砗透邷責(zé)崽幚磉^(guò)程，其中低溫?zé)崽幚磉^(guò)程為:在氬氣氣氛下將鍍有金屬膜的籽晶放入石墨坩堝中，加熱到500 1000°C保溫30 200分鐘；高溫?zé)崽幚磉^(guò)程為:將經(jīng)過(guò)低溫?zé)崽幚磉^(guò)程的籽晶片放入石墨坩堝中，在氬氣氣氛中，加熱到1800 2300。。保溫30 300分鐘。所述氬氣氣氛的氣壓為5000Pa 105Pa。所述金屬膜層采用熱蒸發(fā)、磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法沉積在籽晶背面。所述金屬膜層的材料選自鎢、鉭、鑰、鋨、銥、錸、鈮、鈦和鋯中的高熔點(diǎn)金屬或其合金、或該些金屬的碳化物、硼化物或氮化物。所述金屬碳化致密物膜層為單層膜或多層膜，每層膜的厚度為0.2 5微米，優(yōu)選為0.5 I微米。形成每一層金屬化合物致密膜層所選用的材料可以相同也可以不同。所述籽晶為SiC籽晶。SiC晶體的晶格結(jié)構(gòu)由致密排列的兩個(gè)亞晶格組成，具有多種晶型，每種晶型的C/Si雙原子層的堆垛次序不同，不同晶型的SiC晶體具有不同的電學(xué)性能與光學(xué)性能。本發(fā)明的SiC籽晶為4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC或3C_SiC。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:通過(guò)本發(fā)明的籽晶處理方法，在籽晶生長(zhǎng)面的反面即籽晶背面形成金屬化合物致密膜層。該金屬化合物致密膜層在生長(zhǎng)溫度下穩(wěn)定而且致密，抑制了籽晶背面的分解蒸發(fā)，消除了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由籽晶背面背向分解蒸發(fā)導(dǎo)致的平面六方空洞缺陷。采用本發(fā)明的籽晶處理方法后，平面六方空洞減少90%以上，極大地提高了碳化硅的晶體質(zhì)量和產(chǎn)率。


圖1為物理氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)SiC晶體的典型生長(zhǎng)室結(jié)構(gòu)示意圖；圖2物理氣相輸運(yùn)法生長(zhǎng)SiC晶體的典型生長(zhǎng)室溫場(chǎng)分布示意圖；圖3目前PVT法生長(zhǎng)SiC晶體普遍使用的籽晶粘接示意圖；圖4晶體生長(zhǎng)過(guò)程中籽晶背向蒸發(fā)示意圖；圖5桿晶處理后粘接不意圖；圖6a為采用未處理籽晶生長(zhǎng)的6H_SiC晶體橫截面的SEM圖；圖6b為采用本發(fā)明處理后的籽晶生長(zhǎng)的6H-SiC晶體橫截面的SEM圖。
具體實(shí)施例方式以下通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不受這些實(shí)施例的限制。
如圖1、圖3所示，是目前PVT法生長(zhǎng)SiC晶體普遍使用的生長(zhǎng)室結(jié)構(gòu)示意圖和籽晶粘接示意圖。其中坩堝蓋I是由三高石墨加工而成，孔隙率為10% (此圖中未畫(huà)出)，坩堝蓋I的內(nèi)表面8的平整度優(yōu)于10微米。籽晶3通過(guò)粘結(jié)劑2粘到坩堝蓋I的內(nèi)表面8上。在坩堝蓋的下部空間4內(nèi)放置SiC原料5。由于機(jī)械加工精度較差，粘結(jié)劑粘接不均勻等因素，導(dǎo)致籽晶背面9與坩堝蓋內(nèi)表面8之間存在氣孔10。氣孔10內(nèi)部區(qū)域與氣孔10外部區(qū)域存在導(dǎo)熱率的差異，造成籽晶背面9溫度分布不均勻。如圖2至圖4所示，晶體生長(zhǎng)時(shí)，坩堝內(nèi)存在溫度梯度，該溫度梯度導(dǎo)致氣孔10與籽晶背面9相連的地方，以及籽晶背面9發(fā)生分解，產(chǎn)生蒸汽11。這些蒸汽11會(huì)從坩堝蓋外表面7以及粘結(jié)劑的氣孔10中逸出。籽晶背面9的分解和蒸汽11的逸出是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程。籽晶背面9分解的區(qū)域12隨著蒸汽11的不斷逸出，而不斷向下伸展擴(kuò)大，當(dāng)這些區(qū)域形成一個(gè)閉合的氣體包裹體在晶體中向溫度升高的地方運(yùn)動(dòng)后便形成了平面六方空洞缺陷13。該缺陷的形成嚴(yán)重地降低了晶片的質(zhì)量和產(chǎn)率。圖5是籽晶經(jīng)處理后的粘接示意圖。該籽晶處理方法是在籽晶背面9形成單層或者多層高熔點(diǎn)金屬化合物致密膜層14，該致密膜層14能有效地抑制籽晶背面9的背向蒸發(fā)過(guò)程的進(jìn)行，從而顯著地消除了籽晶背面9背向蒸發(fā)所造成的平面六方空洞缺陷13，極大地提聞了晶片的質(zhì)量和廣率。實(shí)施例1采用直流磁控濺射的方法，在6H_SiC籽晶生長(zhǎng)面的背面表面濺射I微米的鉭膜，工藝條件為:用模具或掩膜板保護(hù)SiC籽晶生長(zhǎng)面，防止生長(zhǎng)面受到污染。使用金屬鉭靶在氣壓為0.13Pa、電流為1.5A的條件下，向SiC籽晶生長(zhǎng)面的背面表面沉積I微米厚的鉭膜。然后將鍍有鉭膜的籽晶放入石墨坩堝中，在氬氣氣氛下以5°C /分鐘的升溫速率加熱到800°C,保溫100分鐘，該氬氣氣氛的氣壓為105Pa。然后將鍍有鉭膜的籽晶在該氬氣氣氛下加熱到2200°C保溫50分鐘。此時(shí)，銀白色的金屬鉭膜轉(zhuǎn)化為金黃色的TaC膜。將未經(jīng)過(guò)處理的籽晶和經(jīng)過(guò)以上步驟處理的籽晶分別粘接在石墨坩堝蓋上，在同樣的生長(zhǎng)條件下進(jìn)行晶體生長(zhǎng)試驗(yàn)，得到的晶體如圖6a和圖6b所示。從圖6a可以看出，未經(jīng)過(guò)處理的籽晶生長(zhǎng)得到的晶體內(nèi)部有較多的反光面，即平面六方空洞。與圖6a相比，經(jīng)過(guò)處理的籽晶生長(zhǎng)的晶體出現(xiàn)的平面六方空洞很少，減少90%以上，如圖6b所示。實(shí)施例2采用直流磁控濺射的方法，在6H_SiC籽晶生長(zhǎng)面的背面表面濺射I微米的鉭膜，工藝條件為:用模具或掩膜板保護(hù)SiC籽晶生長(zhǎng)面，防止生長(zhǎng)面受到污染。使用金屬鉭靶在氣壓為0.13Pa、電流為1.5A的條件下，向SiC籽晶生長(zhǎng)面的背面表面沉積0.5微米厚的鉭膜。然后將鍍有金屬膜的籽晶放入石墨坩堝中，在氬氣氣氛下以5°C /分鐘的升溫速率下加熱到800°C，保溫100分鐘，該氬氣氣氛的氣壓為105Pa。然后將鍍有鉭膜的籽晶在該氬氣氣氛下加熱到2200°C保溫50分鐘。此時(shí)，銀白色的金屬鉭膜轉(zhuǎn)化為金黃色的TaC膜。
重復(fù)以上工藝過(guò)程，在SiC籽晶生長(zhǎng)面的背面表面形成6層總厚度為3微米的TaC膜層。將經(jīng)過(guò)如此處理的籽晶粘接在石墨坩堝該上進(jìn)行生長(zhǎng)試驗(yàn)，同未經(jīng)過(guò)處理的籽晶在同樣的生長(zhǎng)條件下生長(zhǎng)得到的晶體相比，經(jīng)過(guò)處理的籽晶生長(zhǎng)的晶體出現(xiàn)的平面六方空洞減少90%以上。
權(quán)利要求
1.一種用于生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC晶體的籽晶處理方法，其特征在于:該方法包括在籽晶背面形成金屬膜層，然后將該金屬膜層經(jīng)過(guò)一次或多次熱處理形成金屬化合物致密膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述熱處理包括低溫?zé)崽幚砗透邷責(zé)崽幚磉^(guò)程，其中低溫?zé)崽幚磉^(guò)程為:在氬氣氣氛下將鍍有金屬膜的籽晶放入石墨坩堝中，加熱到500 1000°C保溫30 200分鐘；高溫?zé)崽幚磉^(guò)程為:將經(jīng)過(guò)低溫?zé)崽幚磉^(guò)程的籽晶片放入石墨坩堝中，在氬氣氣氛中，加熱到1800 2300°C保溫30 300分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述氬氣氣氛的氣壓為5000Pa IO5Pa0
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述金屬膜層采用熱蒸發(fā)、磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積法沉積在籽晶背面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述金屬膜層的材料選自鎢、鉭、鑰、鋨、銥、錸、鈮、鈦和鋯中的高熔點(diǎn)金屬或其合金、或該些金屬的碳化物、硼化物或氮化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述金屬化合物致密膜層為單層膜或多層膜，每層膜的厚度為0.2 5微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的籽晶處理方法，其特征在于:每層膜的厚度為0.5 I微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的籽晶處理方法，其特征在于:形成每一層金屬化合物致密膜層所選用的材料相同或不同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述籽晶為SiC籽晶。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的籽晶處理方法，其特征在于:所述SiC籽晶為4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC 或 3C_SiC。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于生長(zhǎng)高質(zhì)量SiC晶體的籽晶處理方法。該籽晶處理方法包括在籽晶生長(zhǎng)面的反面即籽晶背面通過(guò)磁控濺射、熱蒸發(fā)等方法形成金屬膜層，該金屬膜層再經(jīng)過(guò)熱處理形成致密的金屬化合物致密膜層。該金屬化合物致密膜層在生長(zhǎng)溫度下穩(wěn)定而且致密，抑制了籽晶背面的分解蒸發(fā)，消除了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由籽晶背面背向分解蒸發(fā)導(dǎo)致的平面六方空洞缺陷，極大地提高了碳化硅的晶體質(zhì)量和產(chǎn)率。
文檔編號(hào)C30B29/36GK103160928SQ20111041443
公開(kāi)日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者李翠, 楊志民, 楊立文, 蔣秉軒 申請(qǐng)人:北京有色金屬研究總院